本發(fā)明屬于材料加工、機(jī)械制造領(lǐng)域，具體涉及一種超低氣氛下的高能高速等離子射流沉積SiC涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

碳化硅(SiC)具有硬度高、高溫強(qiáng)度高、抗高溫氧化性能與熱穩(wěn)定性優(yōu)越的特點(diǎn)，而且熱傳導(dǎo)率高、禁帶寬度高、抗中子輻射損傷性能優(yōu)越，已經(jīng)作為常溫耐磨材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、加熱器件材料、以及大功率半導(dǎo)體器件材料得到廣泛應(yīng)用，而且，也以單一成分的耐磨損與功能涂層、與其他材料構(gòu)成的復(fù)合涂層的形式得到了應(yīng)用。近年來(lái)，隨著核能技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)其安全性要求的進(jìn)一步提高，采用表面涂層對(duì)核反應(yīng)堆包殼的保護(hù)受到關(guān)注，其中SiC即為一種有效的包殼保護(hù)涂層材料。由于SiC加熱至高溫時(shí)直接發(fā)生分解，采用常用熱噴涂、激光熔覆等將材料加熱熔化后制備涂層的方法不能適用于SiC涂層的制備。通常以氣態(tài)的先驅(qū)體為原料采用化學(xué)氣相沉積的方法沉積制備SiC涂層，此方法制備涂層具有傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積方法的特點(diǎn)，即沉積速度慢，且存在環(huán)境污染的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種超低氣氛下的高能高速等離子射流沉積SiC涂層及其制備方法和應(yīng)用，該方法以價(jià)格低廉的SiC粉體為沉積源物質(zhì)，沉積源物質(zhì)來(lái)源便利，能夠快速氣相沉積得到致密的SiC涂層。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種超低氣氛下的高能高速等離子射流沉積SiC涂層的制備方法，包括以下步驟：

1)以固態(tài)SiC顆粒為原料，采用超低壓氣氛下的高能等離子射流作為熱源，快速加熱固態(tài)SiC顆粒使其分解成能夠氣相沉積的氣態(tài)先驅(qū)體，形成含有氣態(tài)先驅(qū)體的高速等離子氣體流；

2)將高速等離子氣體流對(duì)著處于一定溫度范圍的基體表面噴射，使高速等離子氣體流中的先驅(qū)體元素在等離子氣體能夠達(dá)到的基體表面沉積而形成SiC涂層。

所述固態(tài)SiC顆粒為顆粒尺寸分布在0.1～50μm之間的固態(tài)粉末材料。

超低壓氣氛是指在SiC沉積過(guò)程中，沉積腔室壓力為50～1000Pa的壓力范圍內(nèi)的任意壓力。

基體在沉積過(guò)程中處于600～1500℃范圍內(nèi)的任意溫度。

高能等離子射流由壓縮電弧產(chǎn)生，能夠在功率為40kW～150kW下，作為熱源能將固態(tài)SiC顆粒充分加熱至部分分解氣化、或完全分解氣化的高溫等離子體。

基體采用金屬合金材料、無(wú)機(jī)陶瓷材料、C/C復(fù)合材料或C/SiC復(fù)合材料制成。

基體表面的幾何形狀為平面、圓柱面、圓錐面，或是變曲率的其它曲面的表面。

本發(fā)明還公開(kāi)了采用上述的制備方法制得的SiC涂層。

本發(fā)明還公開(kāi)了上述的SiC涂層作為耐磨損涂層、耐沖刷涂層、耐腐蝕涂層、耐輻射涂層、輻照損傷保護(hù)涂層或?qū)щ娡繉拥膽?yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明方法利用高能等離子射流快速將粉末顆粒狀材料加熱至高溫狀態(tài)，直接將SiC粉末送入高能等離子射流中使其受熱發(fā)生分解氣化為原子態(tài)的Si與C，并在等離子中進(jìn)一步加熱處于激活，或活化的離子態(tài)，與高速等離子射流一起噴向基體表面，在表面發(fā)生沉積形成SiC涂層。該方法不存在化學(xué)氣相沉積中的環(huán)境污染問(wèn)題，沒(méi)有氣化的顆粒以固態(tài)存在而不發(fā)生沉積將隨等離子射流排出，不影響SiC的沉積；可以通過(guò)控制SiC顆粒的尺寸保留部分小顆粒固態(tài)SiC，對(duì)沉積涂層表面產(chǎn)生沖擊噴丸效應(yīng)，有利于增強(qiáng)涂層的致密性。

經(jīng)本發(fā)明制得的SiC涂層可用作耐磨損涂層、耐沖刷涂層、耐沖蝕涂層、耐腐蝕涂層、耐中子輻射等核電環(huán)境下的輻照損傷保護(hù)涂層、或?qū)щ姷韧繉印?/p>

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的涂層斷面組織形貌圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

實(shí)施例1

采用TGV等離子噴涂系統(tǒng)，以45L/min的Ar為主要的等離子發(fā)生氣體，并添加6.3％的氫氣，在壓力為150Pa的Ar填充的低壓腔室內(nèi)，以40kW電弧功率下產(chǎn)生等離子射流，在將粉末顆粒尺寸5-30μm的碳化硅(SiC)為原料送入等離子射流中加熱分解氣化，在將Al₂O₃基體表面預(yù)熱到約650～1200℃，制備SiC涂層。如圖1所示的涂層斷面組織，可以看出，制備的涂層厚度均勻，致密。SiC涂層均勻覆蓋于基體表面。分析表明涂層中含有部分Si。當(dāng)隨等離子氣流中的H₂流量降低，Si含量降低，獲得純Si涂層。

實(shí)施例2

采用高能等離子噴涂系統(tǒng)，以45L/min的Ar、與以50L/minHe為等離子發(fā)生氣體，在壓力為250Pa的Ar填充的低壓腔室內(nèi)，在150kW電弧功率下產(chǎn)生等離子射流，在將粉末顆粒尺寸2-15μm的碳化硅(SiC)為原料送入等離子射流中加熱分解氣化，在表面預(yù)熱到約800～1000℃的Zr基體上，制備出SiC涂層。

實(shí)施例3

采用高能等離子噴涂系統(tǒng)，以60L/min的Ar、與以40L/minHe為等離子發(fā)生氣體，在壓力為300Pa的Ar填充的低壓腔室內(nèi)，在120kW電弧功率下產(chǎn)生等離子射流，在將粉末顆粒尺寸0.2-1μm的碳化硅(SiC)為原料送入等離子射流中加熱分解氣化，在表面預(yù)熱到約800～1000℃的碳纖維增強(qiáng)的碳化硅基(C/SiC)復(fù)合材料基體上制備了厚度均勻的致密的SiC涂層。

實(shí)施例4

采用高能等離子噴涂系統(tǒng)，以40L/min的Ar、與以50L/minHe為等離子發(fā)生氣體，在壓力為150Pa的Ar填充的低壓腔室內(nèi)，產(chǎn)生80kW的等離子射流，采用顆粒尺寸0.2-1μm的碳化硅(SiC)粉末，送入等離子射流中加熱分解氣化，在表面預(yù)熱到約800～1000℃的C/C復(fù)合材料基體上制備了厚度均勻的致密的SiC涂層。

綜上所述，本發(fā)明方法利用SiC加熱后不具熔化態(tài)而直接分解氣化的特點(diǎn)，利用高能等離子直接將粉末狀的SiC加熱形成沉積SiC的先驅(qū)體：原子態(tài)的Si與C，或離子態(tài)的Si與C，隨等離子射流噴射向基體材料表面，使其在表面再發(fā)生沉積形成SiC涂層。該制備方法需要在確保分解后的Si與C的先驅(qū)體不放生任意成分損失的條件下進(jìn)行，即在無(wú)氧化的氣氛中，且采用不含與C發(fā)生反應(yīng)的等離子成分的等離子加熱條件下進(jìn)行。